Исследование муравьёв проливает свет на эволюцию социальных насекомых
Один из ключевых вопросов эволюционной биологии — что заставило некоторых существ отказаться от одиночного существования в пользу жизни в коллаборативных обществах, как у муравьёв и других социальных насекомых. Главная характеристика так называемых эусоциальных видов — разделение труда между матками, откладывающими яйца, и рабочими, которые заботятся о потомстве. Но что определяет, что матка должна размножаться, а рабочие — нет? И как это разделение возникло в ходе эволюции?
Эволюционный биолог доктор Роман Либбрехт в сотрудничестве с исследователями из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке нашёл неожиданный ответ: единственный ген под названием insulin-like peptide 2 (ILP2), который, вероятно, активируется лучшим питанием, стимулирует яичники и запускает репродукцию.
«Может показаться почти невероятным, что всего один ген может иметь такое значение», — отметил Либбрехт.
Исследователи пришли к такому выводу, сравнив 5 581 ген у семи видов муравьёв из четырёх разных подсемейств. Всех их объединяет одно: в мозге репродуктивных особей всегда наблюдается более высокая экспрессия ILP2. У маток её уровень выше, чем у рабочих. Этот пептид обнаружен только в мозге, где его производят всего 12–15 клеток.
Разделение репродукции и заботы о потомстве как основа социальности
Считается, что истоки социального поведения насекомых лежат у предков, похожих на ос, которые чередовали фазы размножения и заботы о потомстве. В ходе эволюции эусоциальности эти две фазы разделились и были закреплены за разными особями — матками и рабочими.
Либбрехт и его коллеги изучали вид муравьёв Ooceraea biroi, у которого нет маток, а все рабочие самки могут размножаться партеногенезом (клонированием). Их жизненный цикл строго чередуется:
- 18 дней — все откладывают яйца (репродуктивная фаза).
- 16 дней — все добывают пищу и кормят личинок (фаза заботы о потомстве).
Цикл контролируется наличием личинок: их появление подавляет активность яичников и запускает поведение по уходу.
«Мы разорвали этот цикл», — объяснил Либбрехт.
Исследователи синтезировали пептид ILP2 и ввели его муравьям. Это заставило насекомых откладывать яйца даже в присутствии личинок, что в норме подавляет репродукцию.
Эксперименты с подменой расплода показали, что экспрессия ILP2 в мозге быстро и значительно меняется в ответ на изменение социальных условий. Муравьи быстрее переключаются с откладки яиц на заботу о личинках, что логично для выживания.
От асимметрии в питании к асимметрии в размножении
Исследователи также изучили роль питания, которое известно своей важностью для дифференциации маток и рабочих. Большее количество или лучшее качество белковой пищи способствует развитию личинок в маток.
В колониях O. biroi есть небольшая доля так называемых интеркаст — особей, которые немного крупнее, имеют глаза и более плодовиты. Их можно сравнить с матками. Вероятность стать интеркастой повышается, если личинка получает лучшее питание. Флуоресцентная визуализация показала, что у интеркаст в мозге больше ILP2, чем у обычных рабочих.
«Нечто подобное, вероятно, происходило у предков эусоциальных насекомых, — предположил Либбрехт. — Возможно, небольшая асимметрия в питании личинок привела к асимметрии в репродуктивном поведении взрослых особей».
Предположение, что разделение на маток и рабочих могло начаться с единственного различия, подтверждается экспериментами с семью разными видами муравьёв.
Дальнейшие исследования покажут, применимы ли эти выводы к другим социальным насекомым и как муравьиные колонии как суперорганизмы контролируют общее снабжение питанием.